בעת תכנון כלי רכב, מתמודדים עם אילוצים רבים - אחד מהם הוא הגנה על הנוסעים במקרה התהפכות. כיצד התכנון מתבצע ולמה לא להשתמש בגג מפלדה משוריינת?

בסדרה הקלאסית משנות השמונים "צוות לעניין" בכל פרק התהפך לפחות רכב אחד. בסדרה הופיעו מרדפי מכוניות שמערבים מהירויות גבוהות, מלכודות מתוחכמות ותמרונים פתאומיים, שאינם נפוצים בכבישי הארץ. בחיים האמיתיים, התהפכות של כלי רכב היא לא דבר נפוץ ורוב התאונות הן תאונות חזית או צד [1]. למרות זאת, בתהליך התכנון של כלי רכב נדרשים המהנדסים לתת מענה גם לסכנת ההתהפכות.

הגיוני לחשוב שהפתרון הכי פשוט יהיה לתכנן את הרכב כך שהגג יהיה עשוי מפלדה משוריינת. הבעיה היא, שכך נעלה את נקודת מרכז הכובד כלפי מעלה, ולכן נגדיל את ההסתברות שהרכב יתהפך [2]. נוסף על כך, המשקל הרב שנוסיף לרכב עלול להגדיל את צריכת הדלק, להוות הפרעה לעיצוב, לנוחות הנוסעים ולהעלות את מחיר הרכב. אז מה בכל זאת ניתן לעשות? מכיוון שפסלנו את פתרון גג הפלדה, הגג מהווה נקודת תורפה יחסית בעת התהפכות. הפתרון ברכבי נוסעים הוא שימוש במספר מועט של קורות מחוזקות הממוקמות כקשת מעל ומסביב לנוסעים, כך שאם הרכב מתהפך הנוסעים לא יפגעו.

הבעיה העיקרית שצריך להתמודד איתה היא האנרגיה הקינטית במקרה תאונה. כששני גופים מתנגשים - רכב ברכב או רכב בגוף דומם כמו קיר או אדמה - הרכב נאלץ לספוג את האנרגיה הקינטית, שהיא מכפלת המהירות בריבוע במסת הגוף. העובדה שהמהירות מועלית בריבוע, גורמת לכך ששינוי במהירות ישפיע יותר משינוי במסה. כלומר, אם B.A יקח עוד 2 שרשראות זהב זה לא ישפיע רבות על האנרגיה הקינטית, אבל אם חניבעל יסע במהירות גבוהה ב-10 קמ"ש, האנרגיה תגדל בצורה ניכרת. אז ראשית, מגדירים מרווח דמיוני מסביב לנוסעים שחייב להישאר מוגן במקרה תאונה. על סמך הגדרות אלה, מתכננים מעין "כלוב הגנה" להתמודד עם האנרגיה הקינטית בתאונה. הכלוב מקיף את תא הנוסעים ומתוכנן בשני אופנים שנעשים במקביל. האחד, חיזוק של אזורים רגישים שנרצה שישמרו על צורתם. אזור רגיש מוגדר כאזור בו ההסתברות לתאונה או הסיכון לנוסעים גדול יותר. הדבר השני שנעשה הוא הפחתת משקל מאזורים אחרים שאנו רוצים שיקרסו דווקא, ובקריסתם יספגו את האנרגיה (מכונים Crumple zones).

אותו "כלוב הגנה" יכול להיבנות בצורות שונות ומחומרים מגוונים. יש לבחור חומר על פי תכונותיו תוך איזון בין משקלו לבין עמידתו בעומסים ובמאמצים הנדרשים. מבחינת צורה, הקורות יבנו בצורה של קשת לרוחב הרכב. מדוע דווקא קשת? בדיוק מאותה הסיבה שהרומאים בנו גשרים ומבנים אחרים המבוססים על קשתות ששורדים עד היום [3]. קשת היא צורה הנדסית חזקה מכיוון שאם נפעיל עליה כח, התפלגות המאמצים תחולק לאורכה בצורה שווה. אם נבחר בצורה מלבנית או משולשת, ריכוז המאמצים יתרכז בפינה ויגרום לשבירת החומר בכוח חלש יותר.

תהליך התכנון משקלל את האילוצים ואת נתוני הרכב כגון מידות הרכב, משקלו ותנאי הנסיעה. לאחר מכן, מתבצע חישוב האנרגיה הקינטית, הכוחות והמאמצים במקרה של תאונה ולבסוף, בחירת צורתו וסוג החומר. כל החישובים הללו נעזרים באנליזת אלמנטים סופיים (עליה כתבנו בעבר [4]) - עד להגעה לפתרון מיטבי, שהוא כמובן הגנה מיטבית על הנוסעים, תוך הכבדה מינמלית על כלי הרכב. שימו לב, שהנחת המוצא היא שהנוסעים חגורים בחגורת בטיחות, וכל החישובים וההגנות לא יועילו אם בזמן התהפכות הנוסעים מיטלטלים בחלל המוגן (לכן חשוב לחגור חגורת בטיחות בכל נסיעה). כמובן, שיש הבדל בתכנון, באילוצים ובתקנים הרלוונטיים כתלות בסוג הרכב ובייעודו. עבור רכבים שבסיכון - רכבים פתוחים, רכבי שטח, עבודה או מרוץ - יהיו הגנות רבות יותר, ולעיתים יותקנו הגנות נוספות על ידי היצרן במהלך ייצור הרכב או לאחר הייצור על ידי סדנאות ייעודיות [5]. ברוב המקרים, הקשתות הרוחביות יחוברו ליצירת כלוב התהפכות להגנה מיטבית, כפי שניתן לראות לדוגמה ברכבי ראלי [6].

בתכנון רכבים, חלק מהתכנון ההנדסי נועד למנוע נזק לנוסעים בעת התהפכות באופן פאסיבי. כלומר, בהפחתת הנזק הנגרם בזמן התאונה. ברור שאנחנו לא ממליצים לנסות זאת בבית, אבל אם במקרה חזרתם לשנות ה-80, גוייסתם למשטרה הצבאית והרכב שלכם מתהפך בזמן שאתם במרדף אחר חבורת חיילים פוחזים - כל עוד אתם חגורים בחגורת בטיחות, רוב הסיכויים שבזכות נפלאות ההנדסה תצאו מזה בשלום. רק תיזהרו לא לנסות להכניס את B.A למטוס.

מקורות וקישורים לקריאה נוספת:

[1] נתוני למ"ס - תאונות (קובץ pdf)

[2] צוות לעניין - מדוע רכב מתהפך

[3] המבנה שנתן לחוף הקשתות את שמו

[4] על אנליזת אלמנטים סופיים

[5] תכנון כלוב התהפכות עבור מכונית ראלי (קובץ pdf)

[6] כללים טכניים ענף ראלי רייד (קובץ pdf)